专利名称：一种嵌套式密勒有源电容频率补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于三级运算放大器的嵌套式密勒有源电容频率补偿电路。
背景技术：
当今，随着集成电路工艺的发展，MOS管的特征尺寸越来越小并且电源电压也越来越低。在这种情况下，对于放大器而言传统的共源共栅技术已经不再适用。要得到高增益就必须级联三级或者三级以上的单级放大器。在输出端有大负载电容的情况下，发展出既节省面积(补偿电容小)，又消耗极低功耗(偏置电流小)的三级运算放大器频率补偿技术，这一直是人们的研究热点[1-3]。
总体而言，有两大类频率补偿方法，分别为嵌套式密勒电容补偿(NMC)[4-8]和反嵌套式密勒电容补偿(RNMC)[9]，两者结构如图1和图2所示。其中，NMC技术中较典型的有跨导及电容反馈频率补偿(TCFC)[8]，它将一个有源电容引入到了传统的NMC结构当中，得以在频率响应中产生一个右半平面的零点从而提高相位裕度；RNMC技术中较典型的有反有源反馈频率补偿(RAFFC)[9]，它将一个有源电容引入到了传统的RNMC结构当中，同样得以在频率响应中产生一个右半平面的零点。在基于NMC和RNMC的设计当中，它们都取得了各自最好的带宽功耗比以及压摆率功耗比。
然而，这两类电路都存在一定的问题。RNMC相对于NMC结构的优势在于它只有一个补偿电容负载在输出端。但是通常情况下三级放大器的第三级总是比前两级需要更大的跨导即更大的偏置电流。RNMC采用了一个正相放大的第三级，而正相放大需要两路电流分支，如图3所示。这就意味着它需要两路更大电流的分支，这消耗了很多的功耗。另一方面，虽然NMC结构只需要一个反相放大的第三级即一路电流分支(如图4所示)，但是，它的两个补偿电容都负载在输出端上。因此，发展出仅消耗RNMC结构一半的第三级电流，同时又仅有一个补偿电容负载在输出端的电路，具有一定现实意义，符合技术发展潮流。
参考文献Leung K N，Mok P K T.Nested Miller compensation in low-power CMOS design.IEEETrans.Circuits Syst.II，Analog.Digit.Signal Process.2001，48(4)，388Leung K N，Mok P K T.Analysis of multistage amplifier-frequency compensation.IEEETrans.Circuits Syst.I，Fundam.Theory Appl.，2001，48(9)1041Leung K N，Mok P K T，Ki W H，et al.Three-stage large capacitive load amplifier withdamping-factor-control frequency compensation.IEEE J.Solid-State Circuits，2000，35(2)221Lee H，Mok P K T.Active-feedback frequency-compensation technique for low-powermultistage amplifiers.IEEE J.Solid-State Circuits，2003，38(3)511Lee H，Mok P K T.Advances in active-feedback frequency compensation with poweroptimization and transient improvement.IEEE Trans.Circuits Syst.I，2004，51(9)1690Lee H，Leung K N，Mok P K T.A dual-path bandwidth extension amplifier topology withdual-loop parallel compensation.IEEE J.Solid-State Circuits，2003，38(10)1739Peng X，Sansen W.AC boosting compensation scheme for low-power multistage amplifiers.IEEE J.Solid-State Circuits，2004，39(11)2074Peng X，Sansen W.Transconductance with capacitances feed-back compensation formultistage amplifiers.IEEE J.Solid-State Circuits，2005，40(7)1515Grasso A D，Palumbo G，Pennisi S.Advances in reversed nested Miller compensation.IEEE Trans.Circuits Syst.I，2007，54(7)1459Fan X，Mishra C，Sanchez-Sinencio E.Single Miller capacitor frequency compensationtechnique for low-power multistage amplifiers.IEEE J.Solid-State Circuits，2003，38(10)1735Rincon-Mora G A.Active capacitor multiplier in miller-compensated circuits.IEEE J.Solid-State Circuits，2000，35(1)26
发明内容
本发明的目的在于提出了一种用于三级运算放大器的嵌套式密勒有源电容频率补偿电路，以克服现有的基于NMC以及RNMC技术的缺点，从而实现更好的带宽功耗比以及压摆率功耗比。
为了实现上述目的，本发明的技术内容为一种嵌套式密勒有源电容频率补偿电路，它由三级放大器(1、2、3)，补偿电容(4、5)，基于正相放大器的电流缓冲器(6)，基于反相放大器的电流缓冲器(7)构成；所述三级放大器(1、2、3)依次串联，以实现信号的放大；所述正相电流缓冲器(6)的输出端与反相电流缓冲器(7)的输出端共点并接至放大器(1)的输出端；所述补偿电容(4)连接在放大器(3)的输出端和正相电流缓冲器(6)的输入端之间，从而实现有源密勒补偿；所述补偿电容(5)连接在放大器(2)的输出端与正相电流缓冲器(7)的输入端之间从而实现嵌套式有源密勒补偿。在放大器(1)的输出端和放大器(3)的输出端之间设置了一个前馈跨导级放大器gmf，以提高大信号特性。
本发明嵌套式密勒有源电容频率补偿电路所构建出的三级放大器在频率响应特性中非主极点可扩展到很高的频率，同时，还引入了一个左半平面的零点，这增加了相位裕度并节省了功耗。因此本发明在实现高增益的同时具有功耗低、补偿电容小、驱动大负载能力强等优点。
图1是典型的NMC频率补偿技术的结构示意图； 图2是典型的RNMC频率补偿技术的结构示意图； 图3是正相放大器结构示意图； 图4是反相放大器结构示意图； 图5是典型的基于反相放大器的电流缓冲器结构示意图； 图6是基于正相放大器的电流缓冲器结构示意图； 图7是基于正相放大器的电流缓冲器的晶体管级实现电气原理图； 图8是本发明嵌套式密勒有源电容频率补偿电路的结构示意图； 图9是本发明嵌套式密勒有源电容频率补偿电路的晶体管级实现原理图。
标号说明1、2、3表示框图形式的放大器的级数，4、5、11、12为补偿电容，6为正相的电流缓冲器，7为反相的电流缓冲器，8、9、10分别为1、2、3的晶体管级实现，13为正相的电流缓冲器的晶体管级实现，14为反相的电流缓冲器的晶体管级实现。
具体实施措施 下面结合附图进一步描述本发明嵌套式密勒有源电容频率补偿电路。
电流缓冲器(图5)已经在很多场合被使用以提高性能，例如三级放大器[4-6，8，9]以及低压差线形稳压器[11]。但是通常情况下，一个反相的放大器是需要的。事实上，当一个正相的放大器存在的时候，我们也是可以构造电流缓冲器的，这种构造方法如图6所示，图7是它的晶体管级实现原理图。
基于以上电流缓冲器的构造，本发明的三级放大器嵌套密勒有源电容补偿电路的框图如图8所示，三个放大器1、2、3依次串联起来，这样构成三个放大级从而可以得到高增益。在实现三级放大器的频率补偿的时候，补偿电容4、5分别通过正相的电流缓冲器6、反相的电流缓冲器7接至第一级放大器的输出端，这样构成了本发明提出的嵌套式密勒有源电容补偿。Cp1，2代表各级的寄生电容，CL则代表负载电容。除此之外，加入了一个前馈跨导级放大器gmf以提高大信号特性。假设各级的增益远大于1，同时Ca，Cb，Cp1以及Cp2远小于CL，系统的传输函数为， 其中 ka＝gmaRa (7) kb＝gmbRb (8) 本发明的晶体管级的实现在图9中给出，两个嵌套密勒有源电容由MB1，2，M1A，B以及Ca，Cb实现；其中，第一级8为采用折叠式共源共栅的放大级，第二级9为正相放大级，第三级10为反相放大级；电流缓冲器的晶体管级实现13、14既是第一级的偏置电路，同时可以利用它们来实现正相和反相的电流缓冲器。补偿电容11、12通过电流缓冲器13、14构成嵌套式密勒有源电容补偿电路。
本发明中这样构建出的三级放大器电路在频率响应特性中非主极点可扩展到很高的频率，如式(4)、(5)所示。同时，还引入了一个左半平面的零点，如式(1)所示，这增加了相位裕度并节省了功耗。这一类电路在实现高增益的同时具有功耗低、补偿电容小、驱动大负载能力强等优点，具有极好的应用前景。
权利要求
1.一种嵌套式密勒有源电容频率补偿电路，其特征在于它由三级放大器(1、2、3)，补偿电容(4、5)，基于正相放大器的电流缓冲器(6)，基于反相放大器的电流缓冲器(7)构成；所述三级放大器(1、2、3)依次串联；所述正相电流缓冲器(6)的输出端与反相电流缓冲器(7)的输出端共点并接至放大器(1)的输出端；补偿电容(4)连接在放大器(3)的输出端和正相电流缓冲器(6)的输入端之间；补偿电容(5)连接在放大器(2)的输出端与正相电流缓冲器(7)的输入端之间。
2.如权利要求1所述的嵌套式密勒有源电容频率补偿电路，其特征在于在放大器(1)的输出端和放大器(3)的输出端之间设置了一个前馈跨导级放大器gmf。
全文摘要
本发明涉及一种用于三级运算放大器的嵌套式密勒有源电容频率补偿电路，它由3个CMOS放大级电路、2个补偿电容、1个正相的电流缓冲器、1个反相的电流缓冲器通过嵌套连接而构成；它所构建出的三级放大器在频率响应特性中非主极点可扩展到很高的频率，同时，还引入了一个左半平面的零点，这增加了相位裕度并节省了功耗。相比现有的三级放大器频率补偿技术，本发明中的频率补偿技术在实现高增益的同时具有功耗低、补偿电容小、驱动大负载能力强等优点。
文档编号H03F3/42GK101388650SQ20081020117
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者马海峰, 锋 周 申请人:复旦大学